《乙炔气瓶的焊接结构工艺设计》.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除前 言 本课程是依据标准GB 1501998进行设计的。乙炔压力容器焊接结构的品种较为繁多，应用十分广泛。乙炔气瓶属于一种全焊结构，工艺严格，性能要求高。 本次“乙炔气瓶的焊接结构工艺设计”涉及多种焊接相关知识，包括焊接结构、焊接材料、焊接方法及焊接工艺制定等各方面内容。其中还附有设计的结构图。本次设计理论和实践结合极为紧密。对专业的学习和以后的工作打下了良好的基础。在设计过程中，参阅了有关同类资料、书籍和网络资料。并得到老师的指导和帮助，在此致以深深的谢意！由于编者水平有限，设计难免存在某些需要进一步完善和改进的地方甚至错误，恳请老师批评指正。目 录前言1第1章 乙炔气瓶设计的准备 31.1、乙炔气瓶焊接结构设计的简介31.2、材料的焊接性分析31.3、乙炔气瓶材料的选择41.4、乙炔气瓶规格的确定 6第2章 焊接制造工艺92.1、焊缝位置的确定92.2、焊接方法与焊接材料的选用102.3、焊缝的接头形式及坡口设计112.4、部分焊接工艺确定142.5、焊质量检验15第3章 课程设计总结17课程设计总结17焊接工艺卡18参考文献22第1章 乙炔气瓶设计的准备1.1 乙炔气瓶焊接结构设计的简介1.1.1乙炔容器瓶的结构组成（1）组成：主要有筒体（瓶体）、封头（椭圆形）和接管组成，其中筒体、封头是乙炔压力容器制造的关键部分。（2）制造关键 1）封头 2）筒体 1.1.2容器的设计要求1）工作温度：20 C 对应许用应力：170MPa2）设计压力：10MP1.2 材料的焊接性分析在压力容器用钢的化学成分中，碳、硫和磷等元素对钢的焊接性十分有害，应将其含量控制在最低的限度以下。锰、硅、镍和钼等合金元素，在一定的范围内对钢材的焊接性起有利的作用。当其含量超过容许的范围时，则起相反的作用。有关合金元素含量的适应范围如下：含量（C）0.03%0.11%； （Si）0.05%1.2% （Mn）0.2%1.16%； （Ni）0.05%1.40% （Mo）1.2%； （S）0.006%0.110% （P）0.004%0.170% 1.3乙炔气瓶材料的选择乙炔压力容器是一种全焊结构，且运行条件苛刻，制造工艺复杂。乙炔气瓶一旦开裂，后果极其严重，不但造成巨大的经济损失，而且可能遭受人身伤亡灾难。因此乙炔压力容器的运行必须安全可靠。毋庸置疑，乙炔压力容器工作的可靠性首先与选用钢材有着密切的关系。我国和世界各工业国的压力容器设计制造法规，以及相应的材料标准都对压力容器用钢的性能做出了严格而明确的规定。乙炔压力容器材料作为一种受压部件的结构材料，应具有足够的力学性能，包括抗拉强度、塑性和韧性。其次，压力容器在制造过程中，必须经过各种成形加工。因此，所用材料应具有良好的冷成形加工和热成形加工性能。此外，乙炔压力容器用钢还应具有良好的焊接性、耐蚀性、抗氢能力以及适应各种热处理的特性。由此可见，为确保乙炔压力容器长期安全可靠地运行，必须从材料着手，选用优质的符合法规和规程要求的钢材制造乙炔压力容器。1.3.1乙炔气瓶材料的性能要求（1）对强度性能的要求钢材的强度一般是采用拉伸试验测定的，故又称抗拉强度。随着工业化发展，乙炔压力容器的工作压力越来越高。如仍用屈强比较低的碳素钢制造，容器壁厚将大大增加，对于某些大型高压和超高压容器，壳壁厚度可能增加到无法生产和加工的程度。因此采用屈强比较高的低合金高强度钢已成为当今容器制造中的必然趋势，目前，我国现行钢制压力容器标准已容许采用抗拉强度达610MPa的低合金高强度钢。（2）对塑性的要求乙炔压力容器的主要部件，如如封头、筒体等，都采用冷热冲压、卷制和弯曲加工成形，要求钢材具有较好的塑性。按现行压力容器用钢标准的规定，用于压力容器的碳钢和低合金高强度钢，其最低伸长率不得小于17%。 （3）对冲击韧度的要求 从材料角度来讲，钢材的缺口冲击韧度愈高，焊接结构抗脆断的能力愈高。为确保压力容器的安全运行，对压力容器用钢的缺口冲击韧度提出了较高的要求。按现行GB 66541996压力容器用钢板标准，20R和16MnR钢的常温V形缺口试样冲击吸收功应不小于31J，15MnVNR和18MnMoNbR等低合金高强度钢常温V形缺口冲击吸收功不得小于34J。（4）对变形性能的要求压力容器各部件在制造过程中需经过较复杂的加工工艺，如冷弯、冷卷、冷校、冷冲、热冲压和热卷成形等，这就要求压力容器用钢具有良好的变形性能。按GB66541996压力容器用钢板标准的规定，压力容器用钢的合格标准是冷弯角为180度。弯芯轴的直径按钢板的厚度和强度等级可分为d=2a和d=3a（a为钢板的厚度）。压力容器部件如冷变形度超过5%，则应在进行下道工序之前作一次回火处理。如压力容器的工作温度高于350度或冷加工变形后作600650度得回火处理，则可全部或部分消除应变时效倾向。（5）对耐蚀性的要求1）氢腐蚀 在加氢炼油系统的临氢装置中，工作介质内含有大量的氢。在高温高压的作用下，氢会渗过钢的表面向内部扩散并与钢中的碳原子结合成甲烷，产生内压，使钢的表层出现鼓包与晶间裂纹，并使钢材的性能同时变脆。因此，制作这类设备的钢，必须采用耐氢腐蚀的抗氢钢。在钢中加入能与碳结合成稳定化合物的合金元素，如Cr、Mo和V等，可大大提高钢的抗氢能力。2）介质的电化学腐蚀 在不同浓度的酸碱溶液和其他腐蚀介质的作用下，钢材常发生因电化学反应而引起下列几种腐蚀现象：全面腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。在钢中加入适量的镍、钼、铜之类的合金元素，可以提高全面腐蚀的能力；若降低含碳量，或增加铬、镍和钼均可以提高抗点蚀的能力；若在不锈钢中添加Ti、Nb等稳定化元素，使钢中的碳与合金元素形成较稳定的碳化物，阻止了晶间腐蚀；在奥氏体不锈钢中加入铁素体含量能提高抗应力腐蚀的能力。1.3.2材料的确定 综上所述，在压力容器常用钢中，选择用得最多的低合金高强度钢16MnR作为乙炔压力容器的瓶体材料，选用低碳钢20R作为接管材料。由于16MnR钢的强度比普通低碳钢高100150MPa，塑性也好，用来制作容器壳体可大大减薄壁厚。由于16MnR的含碳量在0.2%以下，薄板和中厚板（20mm以下）的焊接性与普通碳钢相差不多，而乙炔气瓶的接管受压较小，强度要求低，故可用16MnR和20R两种材料焊制出质量符合要求的乙炔压力容器。1.4 乙炔气瓶规格的确定1.4.1筒体规格(1)设计规格 高700mm，内径250mm，（2）筒体壁厚的确定根据国标（GB 1501998）关于钢制压力容器的设计规定有公式：式中1）p容器的设计内压力（MPa）2）t设计温度下内筒材料的许用应力（MPa）3）Dn圆筒内径（mm）4) 纵焊缝的焊缝系数（本设计中取1）带入数据得7.58mm 考虑到加工方便取=8mm(3)加工成形成形设备：三辊卷板机 成形工艺：冷卷（因为材料板材为薄板）材料检查切割卷圆校圆检查焊接留余：2mm1.4.2封头规格（1）设计规格 高90mm（hn=62.5mm），内径250mm（2）封头壁厚的确定根据国标（GB 1501998）关于钢制压力容器的设计规定有公式：式中1）p容器的设计内压力（MPa）2）t设计温度下内筒材料的许用应力（MPa）3）Dn封头内径（mm）4) 焊缝的焊缝系数（本设计中取1）5）K形状修正系数（本设计中取1）带入数据得7.46mm，考虑到与筒体的焊接与加工的方便取=8mm(3)加工成形成形设备：冲床，加热炉 成形工艺：材料检查加热冲压封头余量切割检查封头的冲压：坯料出炉后，操作人员配合好，迅速将坯料摆到模具下找正冲压，应避免操作时间长、坯料的温度过多的下降。冲压一般采取两次压制成型为好，这样可以控制好冲压温度，防止因又一次成形时间过长、温度较低而导致局部减薄量过大的现象发生.焊接留余：2mm1.4.3接管规格(1)设计规格 高35mm 内径64mm（2）壁厚考虑到设计方便由表1的=6mm，接管外径为76mm表1不用开孔补强的接管壁厚条件 （单位：mm）接管公称直径253238454857657689最小壁厚3.53.53.54.04.05.05.06.06.0考虑到接管与封头焊接，要在封头上开孔，因为要留余，则孔径=80mm。第2章 焊接制造工艺2.1 焊缝位置的确定筒体采用纵焊缝，筒体与封头间采用环焊缝，接管与封头间采用环焊缝。（其中筒体采用纵焊缝比采用环焊缝为一条平直的纵焊缝，只需一块钢板卷弯拼焊而成，施焊时比较方便，工艺简单，成本比环焊缝低。）2.2 焊接方法与焊接材料的选用在压力容器制造中，生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊、药芯焊丝电弧焊和等离子弧焊等。拟采用的焊接方法主要根据被焊钢种、接头厚度、焊缝位置和坡口形式以及对接头的质量要求等来选择，同时还应考虑到该种焊接方法的效率和生产成本。2.2.1焊接方法的选取本次设计所选用材料为16MnR，20R。查焊接手册知各焊缝均可用手工电弧焊来焊焊接，且手工电弧焊有以下特点：(1)操作方便，使用灵活，适应性强。适用于各种钢种、各种厚度、各种位置和各种结构的焊接。特别是对不规则的焊缝、短弧缝、仰焊缝、高空和位置狭窄的焊缝，均能灵活运用，操作自如。(2)焊接质量好。因电弧温度高，焊接速度较快，热影响区小，焊接接头的机械性能较为理想。另外，由于焊条和电焊机的不断改进，在常用的低碳钢和低合金钢的焊接结构中，焊缝的机械性能能够有效地控制，达到与母材等强的要求。对于焊缝缺陷，在一定范围内可以通过提高焊工水平、改进工艺措施得到克服。(3)手工电弧焊易于分散应力和控制变形。所有焊接结构中，因受热应力的作用，都存在着焊接残余应力和变形，外形复杂的焊缝、长焊缝和大工件上的焊缝，共残余应力和变形问题更为突出。采用手工电弧焊，可以通过工艺调整，如跳焊、逆向分段焊、对称焊等方法，来减少变形和改善应力分布。(4)设备简单，使用维护方便。无论交流电焊机还是直流电焊机，焊工都容易掌握，使用可靠，维护方便。不像埋弧焊、电渣焊设备那样复杂。应用时的局限：(1)由于手工操作，生产效率低，焊工的劳动强度也比较大。(2)焊接质量不稳定。手工电弧焊的焊接质量，与焊工的技能有关，培训焊工技能的难度较大，也由于手工操作的随意性比较大，使焊接质量不稳定，这是手工电弧焊的最大缺点。综上所述，在本次设计中，手工电弧焊的优点是大于其缺点的，所以最终选择用手工电弧焊来焊接各焊缝。2.2.2焊接材料的选择根据气瓶各部分材料，查焊接手册可知，本次设计中的4处焊缝均可选用E5015（J507）焊条焊接。2.3 焊缝接头形式及坡口的设计在压力容器中，焊接接头的主要形式有对接接头、角接接头和搭接接头。在不锈钢衬里容器中还有塞接接头。筒体与封头等重要受压部件的连接，均应采用对接接头。这种接头的强度可以达到与母材相等，受力也比较均匀。角接接头多用于管接头与壳体的连接。搭接接头主要用于非受压部件与受压壳体的连接，如支座、附件与壳体的连接。坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状、板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。在选择坡口形式时主要考虑以下因素：(1)是否能够保证工件焊透（手弧焊熔深一般为24mm）和便于操作。(2)坡口的形状应容易加工。(3)尽可能提高焊接生产率和节省焊条。(4)焊后工件的变形量应尽可能小。(5)调整焊缝金属的化学成分。2.3.1焊接接头的选择（1） 筒体纵焊缝的焊接接头与坡口选择1） 接头选择该焊缝属于A类焊缝，考虑到壁厚=8mm，属于薄板焊接，所以本次设计采用单面焊接（形成全焊透的对接接头）。2） 坡口选择考虑到筒体薄板厚度，以及焊接方法，本次设计采用Y型坡口。（2） 筒体与封头的焊接接头与坡口选择1） 接头选择该焊缝属于B类焊缝（环焊缝），考虑到筒体壁厚与封头壁厚均为8mm，属于薄板焊接，且乙炔气瓶是一种密闭整体性容器，因此筒体与封头之间应满足等强度原则，故筒体与封头之间的焊接接头应采用对接接头（单面焊接）。2） 坡口选择考虑到筒体与封头的厚度，均属于薄板焊接，且考虑到焊接方法，本次设计采用Y型坡口。（3） 接管与封头的焊接接头与坡口选择1） 接头选择该焊缝属于D类焊缝（环焊缝），且接管与封头金属材料不同，属于异种金属焊接。由于接管壁厚为6mm，封头壁厚为8mm，亦属于薄板焊接，最终设计采用角焊接。2） 坡口选择考虑到焊接方法，以及薄板的厚度，最终本次设计采用插入式接管全焊透T型接头。2.3.2坡口的加工方法根据焊件的尺寸、形状及加工条件确定。由于所设计的坡口为Y型，T型坡口，再考虑到气瓶的形状等因素，最终选用自动切割机进行坡口的加工。2.4 部分焊接工艺的确定2.4.1焊前预热由于本气瓶各部分钢材均为薄板（6mm，8mm），查焊接设计手册可知，该气瓶的各焊缝均不用做预热处理。2.4.2 焊条电弧焊的参数焊条E5015(J507) 查焊接手册得：焊条烘干温度350400C/2h表2焊件厚度与焊条直径的关系焊件厚度/mm1.52345612焊条直径/mm1.623.23.2445由表2知可选焊条直径为4mm的焊条，再查焊接手册得焊接电流为160180A，焊接电压为2122V。由于焊条E5015为低氢型焊条，且均为薄板焊接，所以采用直流反接法（该接法电弧比正接稳定）。2.4.3 焊接速度的选择焊接速度由操作者在焊接中根据具体情况灵活掌握。高质量的焊缝要求焊接速度均匀，既保证焊缝厚度适当，又保证打底焊焊透和不烧穿。手工电弧焊接的速度通常都不超过10m/h，工件越薄，焊接速度越大。2.4.4 焊接线能量焊接线能量是焊接能源署给单位长度焊缝的能量。=IU/v式中：焊接线能量I焊接电流U焊接电压V焊接速度热效系数根据公式,焊接线能量由I、U、V、等参数决定，改变I、U、V参数，可以改变线能量。I、U一定时，V增大，减小，V减小，增大；V一定时，I、U增大，减小，I、U增大，增大。2.4.5 焊后热处理在焊接后应进行热处理，以减少残余应力。表3 常用钢号焊后热处理规范钢号焊后热处理温度/最短保温时间电弧焊20g600640焊后热处理厚度50mm时,最短时间不低于1h.16MnR600640氢气瓶的设计厚度8mm，主体材质为16MnR（低合金钢）,由于低合金钢有较大冷裂纹敏感性和拘束度，根据表3，氢气瓶在焊后立即进行回火，回火温度为600640，保温时间为1小时。2.5 焊接质量检验焊接检验过程，基本上由焊前检验、焊接过程检验、焊后检验、安装调试质量检验和产品服役质量检验等五个环节。焊前检验主要是对焊前准备的检查，包括检验母材、焊接材料、焊接坡口及清理，焊条、焊剂按规定烘干和保温，焊丝需去除油锈，保护气体应干燥等，是以预防为主，最大限度避免和减少焊接缺陷的产生。焊接过程检验，不仅包括按焊接参数、焊接工艺进行焊接，还包括后热和焊接热处理过程。焊后焊接接头缺陷，通过无损检测、压力试验和致密性试验等方法来检测。安装调试质量检验主要包括对现场组装的焊接质量进行检验和对产品制造时的焊接质量进行现场复查。产品服役质量检验主要包括产品运行期间的质量监控和产品检修质量的复查等。无损探伤：对A类焊缝接头，进行百分之百的射线或超声检测。对有无损检测要求的角接接头，T形接头，不能进行射线或超声波检测时，应做100%的表面检测。无损检测应在其外观质量检验合格后进行。焊缝外观形状检验：焊缝外观形状尺寸检验是用肉眼或者借助样板，或用低倍放大镜观察焊件的外形尺寸的检验方法。在测量焊缝外形尺寸时，可采用标准样板和量规。焊接成品的密闭性检验：载水试验，适用于不受压的容器或敞口焊接的密封性试验。试验时，仔细清理容器焊缝表面，并用压缩空气吹净，吹干。在气温不低于0度的条件下，在容器内灌入温度不低于5度的净水，然后观察焊缝，其待续时间不得少于1小时。在试验时间内，焊缝不出现水流，水滴状况渗出，焊缝及热影响区表面无“出汗”现象，即为合格。致密性试验是利用惰性气体对盛装有毒或易燃介质的压力容器整体密封性能所进行的试验方法。氢气瓶在焊接完成后，应检验其气密性和对焊接接头进行探伤。筒体纵焊缝与筒体-封头环焊缝进行100%射线探伤，接管-封头环焊缝应做100%表面检测。气瓶焊接后要进行水压与气压试验第3章 课程设计总结课程设计总结1、乙炔气瓶的焊接结构课程设计是焊接结构制造工艺及实施课程的一个重要环节，通过课程设计的实训学习，不仅巩固了所学的专业知识，也学到了很多新的相关知识。2、通过课程设计综合运用焊接结构制造工艺及实施课程及有关先修课程的知识，起到巩固、深化、融会贯通及扩展有关焊接方面知识的作用。3、重要的是，通过本次焊接结构课程设计，树立了正确的设计思想。 4、通过焊接结构课程设计的实践学习，培养了分析和解决工程实际问题的能力，同时也使自己掌握了焊接各方面的专业知识。5、通过这次焊接结构课程设计，提高了自己的有关设计能力，如思考能力、绘图能力等，并熟悉使用焊接手册及相关标准。焊接工艺卡焊接工艺卡（1）单位：山西大同大学工学院08材料一班工艺卡编号：1焊件名称：筒体纵焊缝（A-A），筒体-封头环焊缝（I）执行标准： GB150-1998焊接方法：手工电弧焊母材：16MnR，厚度8mm接头型式： 对接接头接头型式简图：坡口型式：Y焊后热处理：回火温度为600640，保温时间为1小时。预热：无焊接位置：垂直固定焊接材料及要求：焊条： E5015(J507) 4mm要求：具有质量检验合格证；未受潮、无污染、干净等。技术要求：1破口采用气割加工，坡口保持平整不得有裂纹、分层、夹渣物等缺陷，坡口边缘处应呈金属光泽，不得有油脂、油漆、涂层等污物； 2焊枪倾角为7075，非接触引弧，不得在焊件上直接引弧；3焊完后要矫圆。注意事项：1.焊前清理是否符合要求； 2.焊接最好一次成型；3.焊接速度要适当，不要过快，也不要过慢。焊接层数焊接方法焊条型号电 流电 压（